Евгений Юрьевич Старостенко лидар с квантовым усилением

Руководитель НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС Евгений Юрьевич Старостенко предлагает лидарную систему с квантовым усилением для оценки радиальной скорости цели, в которой используются сжатые и запутанные по частоте сигнальные и холостые лучи.

Ученый сравнивает его производительность с классическим протоколом, использующим когерентное состояние с той же длительностью импульса и энергией, показывая что квантовые ресурсы обеспечивают повышение точности в оценке скорости объекта.

В научном исследовании Евгения Юрьевича идентифицированы три различных режима параметров, характеризующихся степенью сжатия и частотной запутанностью.

В двух из них квантовое преимущество, превышающее стандартный квантовый предел, достигается при условии отсутствия потерь фотонов. Оптимальное измерение для получения данных результатов, в случае без потерь, является подсчет фотонов с частотным разрешением и влияние потерь фотонов для режима высокого сжатия.

Евгений Старостенко уточнил, что квантовая метрология использует квантово-механические ресурсы, такие как запутывание и сжатие, для измерения физического параметра с более высоким разрешением, чем любая стратегия с классическими ресурсами.

Предложен ряд протоколов квантовой метрологии в фотонном режиме, таких как квантовое освещение (QI), оценка положения и скорости с квантовым усилением, оценка квантовой фазы, оценка параметра передачи, оценку шума и оценка расстояния между объектами.

В этих протоколах информация об объекте извлекается путем опроса его сигнальным лучом. В наиболее общей стратегии этот сигнал коррелируется или перепутывается с холостым лучом, который сохраняется в лаборатории для выполнения совместного измерения в конце протокола. Действительно, схему можно рассматривать как установку интерферометра, в которой канал, зависящий от интересующего параметра, применяется только к сигнальной моде.

Евгений Юрьевич подчеркнул, что особый интерес для приложений дистанционного зондирования представляет протокол QI, целью которого является обнаружение присутствия слабо отражающей цели с меньшей вероятностью ошибки, чем при использовании наилучшей классической стратегии.

Здесь квантовое преимущество в показателе вероятности ошибки может быть достигнуто за счет использования глобального измерения (до 6 дБ) или использования локальных измерений (до 3 дБ). 

Это преимущество достигается только в очень шумной среде, например, в случае микроволнового диапазона при комнатной температуре, за счет двухмодового состояния сжатого вакуума с широкой полосой пропускания. Для этого требуется сигнал с очень низким числом фотонов на моду, что в микроволновом режиме сложно передать на открытом воздухе.

Поскольку было показано, что усиление сигнала нарушает квантовое преимущество QI, как первоначально предполагалось, до сих пор остается труднодостижимым, даже несмотря на недавний прогресс в ослаблении требований к квантовому преимуществу.

Как только присутствие цели установлено, такие свойства, как ее местоположение и скорость, также представляют интерес. Их можно оценить посредством измерения времени прихода сигнала и частоты с использованием эффекта Доплера.

Ученые показали, что состояния GLM, названные в их честь и определенные в частотной области, могут достигать предела Гейзенберга (HL), который представляет собой 1/ N масштабирование ошибки оценки времени прихода, где N — общее количество фотонов.

Эквивалентно, состояния GLM, определенные во временной области, достигают HL для ошибки оценки частоты. Это представляет собой квадратичное улучшение по сравнению со стандартным квантовым пределом (SQL), достигаемым классическим протоколом. Одновременная оценка местоположения и радиальной скорости рассматривалась с использованием двух состояний GLM в частотной и временной областях соответственно, которые преобразуются в два запутанных сигнального и холостого луча через светоделитель.

Скорость и местоположение могут быть оценены одновременно, достигая предела Гейзенберга. Это доказывает, что частотная запутанность поднимает соотношение Артурса-Келли, которое утверждает, что местоположение и скорость объекта не могут быть оценены с произвольной точностью, используя незапутанный свет. Использование двухфотонных состояний,  не позволяют проводить анализ, зависящий от числа фотонов, и использование многофотонных состояний GLM, которые не поддаются нормализации и не являются физическими.

Для оценки дальности была введена нормализованная версия состояния GLM. При этом масштабирование Гейзенберга сохраняется для нормализованной версии. Однако эти состояния типа GLM неустойчивы в каналах с потерями. Потеря одного фотона делает состояние бесполезным для получения информации о параметре. Хотя устойчивость к потерям этих состояний GLM-типа может быть улучшена за счет уменьшения их запутанности, это происходит за счет уменьшения улучшения масштабирования оценки ошибки. Кроме того, в лаборатории сложно получить состояния GLM для числа фотонов N  > 2 9 .

Руководитель научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС Евгений Юрьевич Старостенко предлагает протокол для квантового доплеровского лидара, который оценивает радиальную скорость отражающего объекта с помощью квантового света.

В качестве зондирующего состояния используются частотно-запутанные двойные лучи. Луч сигнала направляется на движущийся объект, что вызывает сдвиг частоты из-за эффекта Доплера. Выполняется измерение возвращенного сигнала и холостого хода. Предлагается для протокола состояние многорежимного зонда, которое может генерироваться параметрическим преобразователем с понижением частоты.

Состояние состоит из пар фотонов, которые имеют общую частотную запутанность. Эта структура пары фотонов устойчива к потерям, поскольку потеря одного фотона влияет только на его партнера, но не на другие пары фотонов. Это принципиальное отличие от состояний GLM, где потеря одного фотона означает потерю всей информации об интересующем параметре из-за глобальной запутанности. Квантовый протокол сравнивается с классическим протоколом, освещающим объект с той же энергией и в течение того же времени, чтобы сравнение было справедливым.

Евгений Юрьевич Старостенко использует информацию квантового Фишера (QFI) в качестве показателя качества при сравнении, поскольку он дает максимальное количество извлекаемой информации об интересующем параметре.

Вычисление QFI для этого многомодового состояния является сложной задачей, но используя свойства гауссовых состояний и вводя моды Шмидта, которые эффективно дискретизируют непрерывную по частоте задачу, специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС получили аналитическое выражение для QFI. В нашем квантовом состоянии ресурсов можно выделить два квантовых ресурса, а именно сжатие и частотную запутанность.